基于NI ELVIS的串联谐振电路实验设计

吕井勇， 孙胜春， 董兴泰

(海军工程大学 a. 电气工程学院； b. 训练部, 湖北 武汉 430033)

0 引 言

随着测试仪器的计算机化的发展，虚拟仪器逐渐取代传统测试仪器[1]。以电类专业为例，其中一些实践性较强的课程中，如“数字信号处理”、“电路原理”、“电子技术”等课程中运用虚拟仪器技术，以计算机为基础构建集成化测试平台,代替常规仪器、仪表，利用其强大的分析功能和友好的用户界面不但可以节省大量仪器设备的经费投入，也有助于学生从烦琐的数学运算中解放出来，用更多的时间去思考。有助于提高实验教学课程的开设水平，降低购置实验设施的成本；有效地改善实验教学条件，改革实验教学方法，更新实验教学内容[2]。

目前，包括我校在内的国内许多高等院校电类专业普遍开设电路原理课程，它是一门重要的专业基础课，该课程主要讲授电物理量的测量和分析方法。由于电路原理课程丰富的实践性，因此，它的一个重要教学环节就是工程中各种电物理量的测量实验。实验教学的目的不仅在于对理论教学的验证，更重要的是培训学生实际的工程测试能力[3-4]。在实验教学中，利用ELVIS虚拟仪器实验平台实现了电路原理实验的创新性，提高了学生的实践动手能力，调动了学生的积极性和创造性[5]。

1 ELVIS简介

NI教学实验室虚拟仪器套件(NI ELVIS)是动手设计与原型设计平台[6],它集成了最常用的12个仪器,包括示波器、数字万用表、函数发生器、波特图分析仪等,将它们集成在适合于硬件实验室中使用。基于NI LabVIEW图形化系统设计软件,带有USB即插即用功能的NI ELVIS提供了虚拟仪器的灵活性,并且允许进行快速简单的测量采集与显示。全新的USB即插即用连接性简化了试验设备的搭建和维护,用户现在可以使用个人电脑对应用进行测试和原型设计,并通过USBM系列数据采集设备来完成数据采集任务。

1.1 安装在计算机上的软面板仪器(SFP)

计算机平台上安装有虚拟仪器软件开发工具LabVIEW，ELVIS加载了在LabVIEW中创建的SFP仪器以及仪器的源代码，用户可以通过修改LabVIEW代码来修改SFP的功能或者提高它们的功用。这些软面板仪器都是系统设计中典型的和必须的通用电子仪器的虚拟仪器,主要包括示波器、函数发生器、数字万能表、可编程控制的电源以及波特分析器、动态信号分析仪与任意波形发生器。

1.2 用户自定义工作台

原型实验面包板与工作台相连接，在此上搭建模拟电路，允许设计过程中输入/输出信号的连接，同时原型面包板上给出了ELVIS所有的信号终端，它们分列在电路面包板两旁，并通过电缆连接至电脑，将采集到的测量温度、压力、速度等不同类型的电信号送入计算机处理，或者输出控制信号等。特别适合实验教学、电路设计及仪器测试与控制。

2 ELVIS平台上实现串联谐振实验

串联谐振实验是电路中的典型实验。实验主要通过测量RLC串联电路中电流(或电阻两端输出电压)随频率变化来绘制幅频特性曲线和测定电路品质因数(Q值)[7]。在运用ELVIS进行串联谐振实验中，掌握利用ELVIS的软面板仪器实现电路中电压的测量，通过LabVIEW编程来进行Q值的计算和绘制电路的幅频特性曲线。

2.1 硬件电路的搭建

在RLC串联电路中，当输入正弦交流信号源的频率f改变时，电路中的感抗、容抗随之而变，电路中的电流也随f而变。取电阻R上的电压有效值Uo作为响应，当输入电压的有效值Ui维持不变时，在不同频率的信号激励下，测出Uo值，然后以频率f为横坐标，以Uo/Ui为纵坐标(因Ui不变，故也可直接以Uo为纵坐标)，绘出光滑的曲线，此即为幅频特性曲线，亦称谐振曲线，如图1所示。

图1 谐振曲线

对于谐振电路，定义品质因数Q为回路的特性阻抗与回路电阻的比值，即

该参数标志着谐振电路性能的好坏，对谐振电路的选择特性有着重要意义[8]。

实验电路中：电阻R=1 kΩ，电感L=36 mH，电容C=1nF，扫频信号由ELVIS的函数信号发生器提供，峰-峰值2.4 V，扫频频率从0到60 kHz，间隔500 Hz，电阻两端输出电压经过模拟输入端ai0通道采样得到[9]，ELVIS内置了16位的ADC，采样频率设为120 KHz。

2.2 ELVIS平台软面板仪器设计

ELVIS平台的开发软件就是LabVIEW软件。LabVIEW是一种图形化的编程语言，常用于测量和自动化应用[10-12]。它与C语言等基于文本的编程语言不同，LabVIEW使用数据流程序设计，特别适用于系统调试[13]。在LabVIEW中，可以使用一系列的工具和对象创建一个用户界面，用户界面也被称为前面板，然后添加仪器功能。程序框图包含实现前面板仪器功能图标的连接及函数功能。前面板设计如图2所示，具有以下功能：① 实现采样信号参数的设置，包括RLC参数、采样通道、采样频率等的设置；② 显示每个扫描频率对应的输出信号幅值；③ 按时间显示采集到的电压信号；④ 将采集到得电压信号和对应的扫描频率描点画出电路幅频特性曲线。

程序设计框图如图3所示，主要包括两部分功能：① 根据电路参数，计算电路谐振频率和品质因数；② 根据电阻上采集的电压波形从中分离出幅度和频率分量，将幅度和频率分量组成数组，逐点连线画出电路的幅频特性曲线。

图2 前面板设计

图3 程序设计框图

3 结 语

从上述串联谐振实验过程可以看出，在ELVIS平台上实现比用传统实验装置实现更具优越性：ELVIS平台集成了许多功能性仪器，如电源、波形发生器、万用表等，做实验时只需在面包板上搭建电路，利用ELVIS平台自带仪器和仪表完成实验；ELVIS平台附加功能强大，用户界面丰富，可以通过其开发软件实现复杂的数据计算和处理，如上面Q值的计算和谐振曲线的绘制。所以在ELVIS平台上完成实验，能使学生们对整个实验过程相当了解，而且可以根据学生的兴趣及创造性添加更多新的功能，只需简单修改程序，把所学的知识灵活应用。由此可见，基于ELVIS平台的强大功能必将会在高校实验教学领域得到广泛的应用[14-15]。

ELVIS平台可以帮助学生在其他课程的学习过程中,将理论知识付诸于实践,如电子电路、信号处理、通信、控制系统、机械测量与机械电子等。ELVIS平台可以完成绝大多数弱电方面的实验,在强电实验的弱电方面也能起到一定的作用。

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